， ，，，

(1.三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 443002; 2.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002; 3.宜昌市交通運(yùn)輸局，湖北 宜昌 443002; 4.宜昌市公路管理局，湖北 宜昌 443002)

1 研究背景

土的抗剪強(qiáng)度是指土體對(duì)于外荷載所產(chǎn)生的剪應(yīng)力的極限能力，是進(jìn)行公路路基設(shè)計(jì)、基坑設(shè)計(jì)、邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算等重要參數(shù)之一。絕大多數(shù)的土工構(gòu)筑物失穩(wěn)，邊坡滑塌都是由于土體的抗剪強(qiáng)度不足造成的。膨脹土是由親水性黏土礦物蒙脫石和伊利石組成的具有顯著吸水膨脹、失水收縮特性的高液限黏土。由于膨脹土顯著的脹縮特性，導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度極不穩(wěn)定，極易隨著含水率的變化而變化。土體含水率的變化帶來(lái)的反復(fù)脹縮，導(dǎo)致膨脹土土體內(nèi)部裂隙逐漸擴(kuò)大，降雨又通過(guò)裂隙進(jìn)入到土體內(nèi)部，進(jìn)而加劇了裂隙的開展，導(dǎo)致土體發(fā)生崩解，造成抗剪強(qiáng)度進(jìn)一步的衰減。通過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的大量研究，發(fā)現(xiàn)膨脹土在干濕循環(huán)條件下往往呈現(xiàn)出一定的軟化特性，抗變形能力以及強(qiáng)度會(huì)逐漸下降，極易導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)和路基沉陷，從而引發(fā)嚴(yán)重的安全事故[1]。

鑒于以上問(wèn)題，膨脹土必須經(jīng)過(guò)改良之后才能用于工程之中。目前，工程建設(shè)當(dāng)中，通常是采用化學(xué)手段對(duì)膨脹土進(jìn)行改良處理。劉曉義等[2]等通過(guò)采用加石灰改良膨脹土，研究了干濕循環(huán)作用下石灰改良膨脹土的抗剪強(qiáng)度變化特性，結(jié)果表明，石灰改良膨脹土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而不斷衰減，因此摻石灰對(duì)干濕循環(huán)效應(yīng)所導(dǎo)致的抗剪強(qiáng)度的衰減效果不理想；趙明龍等[3]研究了干濕循環(huán)對(duì)水泥改良膨脹土疲勞強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)通過(guò)摻入水泥可有效抑制由干濕循環(huán)帶來(lái)的強(qiáng)度衰減。但采用水泥進(jìn)行改良，會(huì)大幅提高工程造價(jià)。另外化學(xué)改良有諸多的不足，最突出的就是它的時(shí)效性較差，容易受季節(jié)氣候變化的影響，經(jīng)過(guò)反復(fù)的干濕循環(huán)之后，土體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，致使改良后土體的抗剪強(qiáng)度降低、脹縮特性增強(qiáng)，導(dǎo)致災(zāi)害的再次發(fā)生[4]。另外，化學(xué)改良之后往往需要對(duì)其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)處理，施工工藝復(fù)雜且周期長(zhǎng)，當(dāng)外界環(huán)境不斷變化時(shí)，養(yǎng)護(hù)條件極難控制。

本研究結(jié)合湖北省宜昌市小溪塔至鴉雀嶺一級(jí)公路改建工程，擬通過(guò)沿線廣泛分布的風(fēng)化砂對(duì)膨脹土進(jìn)行改良處理。通過(guò)摻入風(fēng)化砂這一物理改良方法來(lái)調(diào)整膨脹土的顆粒結(jié)構(gòu)，提高改良后膨脹土的抗剪強(qiáng)度，達(dá)到路基填筑用土的標(biāo)準(zhǔn)，更重要的是降低改良后土體對(duì)季節(jié)氣候變化的敏感性，抑制其在干濕循環(huán)效應(yīng)下抗剪強(qiáng)度的降低，確保工程建設(shè)的安全。

著名學(xué)者Guney通過(guò)大量試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在第1次干濕循環(huán)后，非飽和土體隨即遭到破壞，隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行，抗剪強(qiáng)度逐漸降低，大約經(jīng)過(guò)4～6次循環(huán)之后土中孔隙結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定[5]，成為反復(fù)干濕循環(huán)后土體穩(wěn)定的力學(xué)性狀。本研究將風(fēng)化砂改良之后的膨脹土進(jìn)行5次干濕循環(huán)，對(duì)每次干濕循環(huán)之后的試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，通過(guò)系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，深入分析了在干濕循環(huán)效應(yīng)下改良膨脹土抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律，為工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

2 試驗(yàn)用膨脹土及風(fēng)化砂特性

本研究所用膨脹土取自湖北省宜昌市小溪塔至鴉雀嶺一級(jí)公路改建工程項(xiàng)目K24+000至K25+000路段，該膨脹土顏色以棕黃色、灰白色為主，中間夾雜灰綠色。通過(guò)室內(nèi)土工試驗(yàn)，膨脹土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表1，根據(jù)相關(guān)指標(biāo)可以判定，試驗(yàn)所用膨脹土屬于高液限黏土，膨脹性較弱。

表1 膨脹土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

試驗(yàn)所用風(fēng)化砂取該項(xiàng)目K22+000至K23+000段。該風(fēng)化砂呈土黃色，粒徑較小但強(qiáng)度較高。根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)的結(jié)果，可以看出該風(fēng)化砂細(xì)顆粒較多，粒徑大部分都集中在0.25 mm以下，級(jí)配不良。風(fēng)化砂的基本物理性質(zhì)指標(biāo)及顆粒構(gòu)成見表2、表3所示。

表2 風(fēng)化砂基本物理性質(zhì)指標(biāo)

表3 風(fēng)化砂顆粒分析表

3 試驗(yàn)方案與結(jié)果分析

試驗(yàn)方法參考《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)。文中摻砂比例是指所摻風(fēng)化砂質(zhì)量與總質(zhì)量之比，試驗(yàn)采用5種摻砂比例，分別為10%，20%，30%，40%，50%。根據(jù)室內(nèi)重型擊實(shí)試驗(yàn)，得到每種摻砂比例下膨脹土的最佳含水率和最大干密度。按照各自摻砂比例下的最佳含水率與最大干密度采用靜壓法制樣，隨后進(jìn)行0～5次干濕循環(huán)。依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)直接剪切試驗(yàn)的操作要求，干濕循環(huán)過(guò)程為：增濕過(guò)程采用常溫下(通常室內(nèi)溫度大約20℃)浸水法直至試樣浸水飽和；干燥時(shí)采用烘箱烘干，烘干溫度控制在105～110℃，反復(fù)稱重確定試樣達(dá)到控制的含水率之后，將土樣密封養(yǎng)護(hù)一晝夜，使試樣內(nèi)部含水率分布均勻，隨即進(jìn)行直剪試驗(yàn)。本研究采用變控制式直剪儀，剪切速率為0.8 mm/min。

3.1 擊實(shí)試驗(yàn)

試驗(yàn)方法參考《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)采用重型擊實(shí)試驗(yàn)方法，確定每種摻砂比例下膨脹土的最大干密度和最佳含水率， 土樣制備采用干土法。錘質(zhì)量4.5 kg，落高45 cm，分3層進(jìn)行擊實(shí)，每層98擊。不同摻砂比例膨脹土的最大干密度和最佳含水率見表4。

表4 不同摻砂比例改良膨脹土的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可知，摻砂后改變了膨脹土的擊實(shí)特性，摻入適當(dāng)比例的風(fēng)化砂可以有效地提高擊實(shí)后的干密度。隨著風(fēng)化砂摻量的增加，改良膨脹土最佳含水率逐漸減小，而相應(yīng)的最大干密度先增大后減小。

3.2 干濕循環(huán)效應(yīng)對(duì)風(fēng)化砂改良膨脹土內(nèi)摩擦角的影響

將經(jīng)過(guò)不同干濕循環(huán)次數(shù)后的試件放置在剪切盒中，按照試驗(yàn)規(guī)范要求進(jìn)行直剪試驗(yàn)。通過(guò)一系列的室內(nèi)直剪試驗(yàn)，可以得到不同干濕循環(huán)次數(shù)下改良膨脹土內(nèi)摩擦角的變化規(guī)律，如圖1所示。

圖1 內(nèi)摩擦角與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

從以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：

(1) 隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，改良后膨脹土內(nèi)摩擦角先增加后減小，當(dāng)循環(huán)至4～5次時(shí)，內(nèi)摩擦角趨于穩(wěn)定?？偟膩?lái)看，隨著摻砂比例的增大，內(nèi)摩擦角衰減幅度逐漸減小，當(dāng)摻砂比例為30%時(shí)，內(nèi)摩擦角反而有所增加，增加幅度為4%，說(shuō)明適當(dāng)?shù)膿饺腼L(fēng)化砂可有效地抑制干濕循環(huán)所導(dǎo)致的內(nèi)摩擦角的減小。隨著摻砂比例的繼續(xù)增大，內(nèi)摩擦角衰減幅度又逐漸增大，當(dāng)摻砂比例為50%時(shí)，內(nèi)摩擦角衰減幅度最大，達(dá)22%。

(2) 干濕循環(huán)1次之后，改良后膨脹土內(nèi)摩擦角均有不同程度的增加，產(chǎn)生這一現(xiàn)象主要是因?yàn)楦蓾裱h(huán)導(dǎo)致改良后土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，致使土顆粒之間的膠結(jié)力減弱，在分子間的作用力下，黏粒結(jié)合成較大的聚集體，土體中細(xì)顆粒減小[6]，所以在第1次循環(huán)之后內(nèi)摩擦角均有所增加。

(3) 干濕循環(huán)進(jìn)行到第2次時(shí)，改良后膨脹土內(nèi)摩擦角開始緩慢減小，產(chǎn)生這一現(xiàn)象是因?yàn)榻?jīng)過(guò)2次干濕循環(huán)之后，土體中裂隙開始逐漸發(fā)育，顆粒與顆粒之間的相互作用力減弱，另外土體中水分和孔道的分布以及砂、土顆粒之間的排列發(fā)生了較大的改變[7]。其中，當(dāng)摻砂比例為50%時(shí)，內(nèi)摩擦角減小幅度最大，這是由于所摻風(fēng)化砂過(guò)多，土體整體黏性不足，導(dǎo)致干濕循環(huán)之后，土體顆粒之間的作用力迅速減小。另外，摻砂比例為30%時(shí)，內(nèi)摩擦角并沒有減小，反而有小幅度的增加，說(shuō)明當(dāng)摻砂比例為30%時(shí)，對(duì)抑制干濕循環(huán)所導(dǎo)致的內(nèi)摩擦角減小有一定的效果。

(4) 干濕循環(huán)第3次時(shí)，改良后膨脹土內(nèi)摩擦角衰減幅度最大。這是因?yàn)殡S著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，裂隙廣泛發(fā)育，密實(shí)度降低，顆粒之間的摩擦作用減弱，土體的完整性遭到破壞，導(dǎo)致土體內(nèi)摩擦角迅速減小。4～5次干濕交替之后，不同摻砂比例下膨脹土的內(nèi)摩擦角趨于穩(wěn)定。這是由于多次干濕循環(huán)之后，土體中裂隙發(fā)育已趨于穩(wěn)定，土體結(jié)構(gòu)逐漸重新平衡[8]。

3.3 干濕循環(huán)效應(yīng)對(duì)風(fēng)化砂改良膨脹土黏聚力的影響

通過(guò)上述一系列的直剪試驗(yàn)，可以得到不同干濕循環(huán)次數(shù)下改良膨脹土黏聚力的變化規(guī)律，見表5。

表5不同干濕循環(huán)次數(shù)后改良膨脹土的黏聚力

Table5CohesionofmodifiedexpansivesoilafterdifferentwetanddrycycleskPa

摻砂比/%循環(huán)次數(shù)/次0123450112.0584.9368.0161.7252.8249.3310100.6276.1563.2457.7052.0648.832090.3572.5860.0955.3753.8151.243088.9973.8264.4062.2358.7656.814080.6462.5254.3651.1744.8642.455050.2440.5832.5731.5625.2825.01

試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1) 隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，摻砂改良膨脹土的黏聚力也隨之減小，當(dāng)循環(huán)至5次時(shí)，改良后膨脹土內(nèi)摩擦角基本穩(wěn)定。這是因?yàn)殡S著干濕交替的進(jìn)行，土體中水分反復(fù)遷移，引起復(fù)雜的物理化學(xué)變化，導(dǎo)致土體整體黏性減??；再者反復(fù)的干濕循環(huán)導(dǎo)致土體中裂隙不斷發(fā)展，導(dǎo)致土體整體性遭到的破壞程度不斷加大，土體內(nèi)部顆粒之間的間距也逐漸增大，孔隙比變大[9]，最終導(dǎo)致改良后膨脹土的黏聚力下降。而隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行，裂隙發(fā)育是一個(gè)先快后慢的過(guò)程，當(dāng)循環(huán)至一定次數(shù)時(shí)，土體達(dá)到一個(gè)新的平衡狀態(tài)，故黏聚力的變化趨于平緩直至穩(wěn)定[10]。

(2) 分析表中數(shù)據(jù)可以看出，第1次干濕循環(huán)后，改良后膨脹土的黏聚力衰減最為嚴(yán)重，此時(shí)，摻砂10%的膨脹土黏聚力衰減幅度最大，達(dá)到了24.3%。隨著風(fēng)化砂摻入量的增加，黏聚力衰減幅度逐漸減小，當(dāng)摻砂比例為30%時(shí)，黏聚力衰減幅度最小，僅為17.0%。

(3) 干濕循環(huán)5次之后，各摻砂比例下的改良膨脹土黏聚力均有大幅度的降低。隨著所摻風(fēng)化砂比例的增加，改良膨脹土黏聚力衰減幅度逐漸下降。隨著所摻風(fēng)化砂比例進(jìn)一步的加大，黏聚力衰減幅度又開始逐漸提高，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是，風(fēng)化砂顆粒之間的黏性較小，摻入過(guò)多的風(fēng)化砂之后，導(dǎo)致整體的黏性減小[11]。

結(jié)合以上數(shù)據(jù)的分析，為了定量反映干濕循環(huán)效應(yīng)對(duì)風(fēng)化砂改良膨脹土黏聚力的影響，對(duì)試驗(yàn)所得黏聚力隨干濕循環(huán)次數(shù)變化的曲線進(jìn)行回歸分析，擬合之后的曲線見圖2。

圖2 不同摻砂量的膨脹土黏聚力與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系擬合曲線

從圖2可以看出，不同摻砂比例下改良膨脹土的黏聚力與干濕循環(huán)次數(shù)可用二次曲線進(jìn)行擬合,即

y=ax2+bx+c。

(1)

式中：x為干濕循環(huán)次數(shù)；y為干濕循環(huán)后改良膨脹土的黏聚力(kPa);a,b,c為公式擬合系數(shù)，與摻砂后膨脹土性質(zhì)及摻砂比例有關(guān)。

3.4 干濕循環(huán)效應(yīng)對(duì)風(fēng)化砂改良膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響

從以上數(shù)據(jù)分析可知，在干濕循環(huán)效應(yīng)下，摻砂改良后膨脹土的內(nèi)摩擦角和黏聚力都有著不同程度的降低，但是變化規(guī)律并不相同。土體的抗剪強(qiáng)度是由內(nèi)摩擦角、黏聚力、垂直荷重所共同決定的，為了更加直觀地分析摻砂改良膨脹土的抗剪強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，結(jié)合以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制了不同摻砂比例、不同干濕循環(huán)次數(shù)下改良膨脹土的τ-σ圖，如圖3所示。

圖3 不同摻砂比例、不同干濕循環(huán)次數(shù)下改良膨脹土的τ-σ關(guān)系圖

為了更好地描述抗剪強(qiáng)度與干濕循環(huán)次數(shù)以及試驗(yàn)時(shí)垂直荷重之間的關(guān)系，定義α為抗剪強(qiáng)度衰減率，即

(2)

式中：τ5為某一垂直荷重下經(jīng)過(guò)5次干濕循環(huán)后的抗剪強(qiáng)度(kPa);τ0為某一垂直荷重下原狀土的抗剪強(qiáng)度(kPa)。

圖4 不同摻砂比例、不同垂直荷重下的抗剪強(qiáng)度衰減率

從圖4中可以看出：

(1) 隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，摻砂改良后的膨脹土抗剪強(qiáng)度總體上呈下降的趨勢(shì)，干濕循環(huán)2～3次時(shí)，抗剪強(qiáng)度衰減幅度最大，當(dāng)干濕循環(huán)進(jìn)行至4～5次時(shí)，可以看出，各摻砂比例下的膨脹土抗剪強(qiáng)度衰減幅度很小。這是因?yàn)樵诟蓾裱h(huán)效應(yīng)下，土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，內(nèi)摩擦角減小，同時(shí)，黏粒聚積成較大的顆粒，比表面積減小，土顆粒之間的黏結(jié)力減弱，造成抗剪強(qiáng)度降低[12]。

(2) 隨著風(fēng)化砂摻入比例的增加，膨脹土抗剪強(qiáng)度衰減率逐漸下降，當(dāng)摻砂比例為30%時(shí)，衰減率最低，隨著摻入比例的繼續(xù)增大，衰減率又開始逐漸提高，但依舊低于原狀土的抗剪強(qiáng)度衰減率，這說(shuō)明摻入適當(dāng)比例的風(fēng)化砂對(duì)膨脹土在干濕循環(huán)過(guò)程中的強(qiáng)度衰減有很好的作用。

(3) 抗剪強(qiáng)度衰減率隨著試驗(yàn)時(shí)垂直荷重的增大而逐漸減小，當(dāng)摻砂比例為30%，垂直荷重為400 kPa時(shí)，5次干濕循環(huán)后，抗剪強(qiáng)度衰減率最小，僅為7%。這說(shuō)明，在過(guò)程實(shí)際當(dāng)中，適當(dāng)?shù)卦黾油馏w的上覆荷重，對(duì)改良膨脹土在干濕循環(huán)過(guò)程中抗剪強(qiáng)度的衰減有很好的抑制作用。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)一系列的室內(nèi)直剪試驗(yàn)，研究了風(fēng)化砂改良膨脹土在干濕循環(huán)效應(yīng)后抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn):隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，風(fēng)化砂改良膨脹土的抗剪強(qiáng)度在逐漸衰減，在第2、第3次循環(huán)過(guò)程中衰減幅度最大，其后逐漸趨于穩(wěn)定。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，黏聚力呈二次函數(shù)形式衰減，并在第1次循環(huán)過(guò)程中衰減幅度最大，內(nèi)摩擦角隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加先有小幅度的增加，后逐漸減小至穩(wěn)定。

綜合以上試驗(yàn)現(xiàn)象及分析可以得出如下結(jié)論：

(1) 由干濕循環(huán)所導(dǎo)致的風(fēng)化砂改良膨脹土抗剪強(qiáng)度降低，主要是由黏聚力的大幅衰減所造成的。

(2) 風(fēng)化砂改良膨脹土在同一干濕循環(huán)條件下，垂直荷重越大，抗剪強(qiáng)度衰減率越小，因此適當(dāng)?shù)脑黾由细埠芍貙?duì)改良后膨脹土在干濕循環(huán)效應(yīng)下抗剪強(qiáng)度的衰減有明顯的抑制作用。

(3) 綜合考慮干濕循環(huán)效應(yīng)對(duì)改良后膨脹土內(nèi)摩擦角及黏聚力的影響，當(dāng)摻砂比例為30%時(shí)，可有效提高膨脹土的抗剪強(qiáng)度及抑制由于干濕循環(huán)效應(yīng)所帶來(lái)的抗剪強(qiáng)度的衰減。

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